“NET+X”物联网架构体系研究

毕柱兰　程军年　字凤芹

摘要摘要：物联网的发展最终将使人类社会、信息空间和物理世界（人-机-物）融为一个紧密的系统。论述了物联网与互联网之间的关系，简述了物联网发展的关键技术以及架构体系，提出了物联网的“NET+X”思维认识导向。

关键词关键词：RFID；NET+X；物联网架构体系

DOIDOI：10.11907/rjdk.1431096

中图分类号：TP302

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）004001802

0引言

国际电信联盟在2005年的报告中如此描绘物联网时代的情景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。今天看来还感觉像是一种概念化的东西，明天可能就会变为现实。自从物联网概念在美国首次提出之后，美国、中国、日本、韩国、欧盟等都对物联网的发展给予了高度关注，物联网发展前景广阔。

1互联网与物联网关系

互联网（Internet），又称因特网或英特网，是网络与网络之间通过物理设备串联组成的巨大网络，可实现不同地域、不同时间的人们交流通信。互联网的出现是人类通信技术的一次革命，它提供了一个能够相互交流沟通、相互参与的互动平台。较互联网之后出现的物联网又努力实现物-物、人-物之间的互动，将地球建设成为一个“智慧地球”。对此，有学者认为，物联网与互联网是两种不同的“网”，从技术层面来说，物联网是传感网，并没接入互联网。如上海浦东机场的传感器网络，其本身没有接入互联网，但被称为中国第一个物联网；还有一些学者认为物联网是互联网发展到一定阶段的产物，是对互联网的补充和扩展，互联网包含物联网；还有人认为物联网与互联网是平行对等的关系，物联网的连接对象通过RFID等技术手段与互联网连接起来，共同为人类提供服务[1]。以上说法既有可取之处也有不足的地方，依靠传感器等技术网络实现物-物通信，由于考虑到传统、政治以及安全性因素，未接入互联网络，但其本身属于物联网范畴，不过随着大数据运算、智能化识别、地址分配与寻址等问题，迫使物联网需要互联网络提供云计算、比较成熟的硬件设施等，物联网接入互联网将是大势所趋。目前，物联网的发展正处于技术开发关键时期，国际整体发展处于起步阶段，物联网扩展了互联网人-人交流的不足，实现人-物“交流”，物-物“交流”，可以看作互联网包含物联网，当“智慧地球”构想发展成熟之时，任何物体都有了“智慧”，任何时间、任何地点都能交互，庞大的“智慧”物体（人-人、人-物、物-物）将相互之间通信，量变引起质变，届时物联网将包含互联网。

2物联网关键技术

物联网的关键技术可以分为硬件技术和软件技术。本文主要介绍几个具有代表性的硬件技术：射频识别技术、传感器网络与检测技术、智能技术、纳米技术[2]。

2.1硬件技术

（1）RFID（radio frequency identification，射频识别）。 射频识别是一种非接触式便能相互识别的技术。射频识别系统随着应用领域的不同，其组成也不尽相同，最基本的RFID系统通常由射频卡、阅读器、数据交换与管理系统组成[3]。射频卡由嵌入式微处理器芯片及其软件、功能模块、存储器、收发天线等组成。微处理器管理功能模块，功能模块被激活后实现已编程的功能，即该“干什么”。存储器的功能是将必要的认证信息存储，让对方识别出“你是谁”。当射频卡被外界能量激活后，通过收发天线将存储信息通过高频载波编码后发射出去，阅读器会感知这些信息。阅读器（Reader）由通信的高频模块、控制模块、与计算机连接的通信接口（如RS232、RS485、RJ45等）和收发天线组成。阅读器的收发天线接收到从射频卡发来的高频载波信号后，对载波信号进行解调和解码，然后通过相关接口，由控制模块传送到数据交换与管理系统进行相关处理。数据交换与管理系统将处理数据的结果或指令再通过收发天线发送出去，由射频卡的收发天线接收，完成“交互”功能。

（2）无线传感器网络技术。无线传感器网络的相关技术[4]支撑架构未来的物联网。如今大多数传感器网络并没有接入到互联网，传感节点通常只接入到使用本地数据的系统中，网络信息也只在本传感器网络系统范围内传递，但人们越来越关注无线传感器网络与互联网的结合趋势。

“尘埃（mote）”已经成了无线传感器的同义词，其研究领域涉及到楼宇自动化、自动抄表（AMR）、工业监控、人体传感器网络、家用电子产品等等。传感器网络节点的基本组单元有：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经Sink节点（接收发送器）链路传送到远程控制管理中心，远程管理中心可对网络节点实时控制和操纵[5]。

（3）智能技术。物联网应用智能技术，赋予物体“思维”能力，最具代表性的当属机器人应用。只要一台终端控制器即可实现将物体“变成”机器人，做出期望的动作。智能技术的发展将会使“物”管“物”或者“物”管“人”成为可能。

（4）纳米技术。我国在纳米领域的科学发现和产业化研究同美、日、德位于国际第一梯队，具有一定的发展优势。纳米组装技术要求电子器件和系统更小、更快、更冷。更小是指器件占用体积要小；更快是指反应速度要快，信息传输延迟要小；更冷是指单个器件的功耗要小。

通过使用射频技术或者传感技术能够实现更小物体的跟踪、识别、管理等交互活动，这样组装的元件还要能方便快捷地实现网络互连。纳米层级对宏观物理的改变将会达到质的变化。但是更小并非没有限度，纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。

2.2软件技术

物联网的软件技术包括信息处理技术、自组织管理技术、安全技术。软件技术支持硬件设备正常工作，是硬件设备的灵魂和管理者。软件技术提供各种算法、传输协议以及无线接入标准的制定和信息加密技术，面向用户最终提供安全可靠的操作平台，有效管理物联网络。

3“NET+X”认识导向的物联网

体系结构说明系统组成部件及其之间的关系，是指导系统设计与实现的一系列原则抽象。作为一种新的网络化计算系统，在设计与实现物联网系统之前需要先建立物联网体系结构[6]，从功能角度划分，这些体系结构可分为“后端集中式”和“前端分布式”两种类型。

3.1后端集中式

此种体系结构类似浏览器/服务器架构模式（也即“B/S”架构），对感应端要求不高，只需能够进行简单感应识别即可，大量数据分析与处理由强大的服务器来完成。从物联网长远发展来看，数量庞大的对象采用后端集中式架构体系，具有费用低廉的巨大优势。采用这种体系结构的有：Networked AutoID、uID IoT和USN。Networked AutoID体系结构是把所有射频识别和条码信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理[7]。uID IoT通过RFID和二维码来标示物体，由网络化传感器采集周围环境信息，并根据采集到的信息调整服务。该体系结构与Networked AutoID相比，多了环境信息采集，具有更好的环境感知性。USN体系结构自底向上将物联网分为5层：感知网、接入网、网络基础设施、中间件和应用平台：①感知网用于采集与传输环境信息；②接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提供基础设施；③网络基础设施是指基于后IP技术的下一代互联网（NGN）；④中间件由负责大规模数据采集与处理的软件组成；⑤应用平台涉及未来各个行业，它们将有效使用物联网以提高效率。

3.2前端分布式

这种体系结构类似客户/服务器架构模式（也即C/S架构模式）。C/S架构模式对客户终端要求较高，能够分担服务器负担，最后只需将处理好的数据发送给服务器即可。对于大数据运算，前端分布式架构体系能够独立作出较快反应，节省时间。采用这种体系结构的有：Physicalnet、M2M 、AOA等。Physicalnet由底层感知设备直接提供服务，并由网关层进行收集和分发，从而将应用需求与资源分配分开，支持动态移动管理和实时应用配置，通过协调层实现多个应用程序在同一资源上或跨网络和管理域并发运行，定义各层之间进行服务调用的统一接口。M2M（MachineToMachine）是一个关于机器与机器之间进行通信的标准体系结构，非智能终端设备通过移动通信网络与其它智能终端设备或系统进行通信。前端分布式体系结构对服务器处理数据的能力要求较后端集中式小，所以，前端分布式体系结构支持较大的网络规模。

物联网的体系结构尚未有统一的标准，无论是后端集中式体系结构还是前端分布式体系结构，其基本结构原理都遵循“NET+X”的构成方式。“NET”为Internet与其它物体连接的网络，如无线传感网络；“X”代表连接对象：物-物（T2T）、人-物（H2T）、人-人（H2H），其连接维度如图1。“X”需具备以下条件：①要有数据传输通路；②要有一定的存储功能；③要有CPU；④要有操作系统；⑤要有专门的应用程序；⑥遵循物联网的通信协议；⑦在世界网络中有可被识别的唯一编号。“+”有两层意思，一层意思为流通于“NET”与“X”之间的信息流，方向为双向交互的通信信息；另一层意思为连接“NET”与“X”实现通信的关键技术如RFID、无线传感器网络技术等，其为网络与连接对象的中间桥梁。

4结语

温家宝同志在无锡视察时曾提出，要在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的传感信息中心——“感知中国”中心。物联网已取得一些骄人发展，在我国具有一定优势，我们要在物联网关键技术、标准的制定和架构体系等方面把握好时机。本文通过分析物联网概念、关键技术、体系结构等问题后，概括了“NET+X”认识导向的物联网概念。在面对物联网系统的复杂问题时，应综合运用集成方法论解决此类问题。

参考文献参考文献：

[1]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：19.

[2]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：17.

[3]张俊.物联网与HIS的融合推动医院精细化管理的初探[J].西北国防医学杂志，2011，32（4）：315316.

[4]郭苑，张顺颐，孙雁飞，等.物联网关键技术及有待解决的问题研究[J].计算机技术与发展，2010，20（11）：180183 .

[5]王宏飞.“物联网”背景下的产品设计理念研究[J].设计，2013，（9）：179180.

[6]沈苏彬，毛燕琴，范曲立，等.物联网概念模型与体系结构[J].南京邮电大学学报：自然科学版，2010，30（4）：18.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）